Práctica Nº 7 Transferencia de calor: Casa térmica 1. Conceptos implicados Transmisión de calor, conductividad y radiación térmica, atenuación de la temperatura. 2. Objetivos 1. Estudiar las propiedades aislantes de distintos tipos de paredes. 2. Determinar la conductividad térmica de cada material y su resistencia térmica. 3. Evaluar la potencia calorífica perdida a través de dichas paredes por conducción y convección. Figura 1. Montaje de la práctica. Casa térmica, termostato, regla, termopares (NiCr-Ni), termómetro digital, cronómetro, cinta adhesiva, foco de calor, paneles de madera, poliespam y cristal. 3. Introducción El calor es una forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos, en general, cuando sus temperaturas son diferentes. La transmisión de calor se puede realizar por tres mecanismos diferentes: conducción, convección y radiación. En un mecanismo de calefacción o climatización dentro de paredes homogéneas se puede despreciar el efecto de la radiación frente a los otros dos. La transmisión de calor por conducción se produce por la migración de electrones libres en metales y/o propagación de vibraciones mecánicas de la red cristalina dentro de los límites de un material o a través de la superficie de contacto entre dos cuerpos y sin que se produzca transporte de materia. ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 1 La transmisión de calor por convección tiene lugar en fluidos, por desplazamiento de masas de diferentes temperaturas de una región a otra del espacio. Este movimiento hace cambiar en el tiempo la temperatura en cada parte del sistema. Cuando la temperatura de cada punto del sistema en estudio no cambie con el tiempo se dice que está en Estado Estacionario. Consideremos una de las paredes de un recinto que separa el aire del interior a temperatura TAI, del aire exterior, más frío TAE. Las temperaturas de las caras interior y exterior de la pared serán TPI y TPE. La transmisión de calor de la pared al aire, tanto exterior como interior, tiene lugar por un fenómeno combinado de conducción-convección con las capas de aire más cercanas. (calor por unidad de tiempo) que atraviesa la En el estado estacionario, la potencia calorífica Q superficie S por conducción es proporcional a la diferencia de temperatura entre sus caras: d TPI TPE R Q k S R R se llama Resistencia térmica de la pared, d es el grosor de la pared y k el coeficiente de conductividad térmica del material del que esté hecha la pared. La transmisión de calor de la pared al aire exterior (o del aire exterior a la pared) tiene lugar por un fenómeno combinado de conducción entre la pared y las capas de aire más próximas a ella, y de convección en el aire. Los dos efectos pueden incluirse en un solo coeficiente llamado coeficiente de convección o de película y escribir la potencia calorífica Q que pasa de la pared del aire al exterior como S (T T ) Q (1) E PE AE 2 donde E es el coeficiente de convección o de película (8.1 w/m ºK) y equivale E = (k/d). Igual para el aire interior: S (T T ) Q (2) I AI PI Podemos deducir: R TPI TPE Q k d R S (3) ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 2 Descripción de la casa térmica La casa consiste en una caja de cuatro paredes, techo ajustable con tornillos y suelo. En cada pared hay una abertura (21x21 cm) donde se sitúan las paredes a ensayar sujetas con tornillos. En cada esquina existe un orificio pasante con espuma aislante para introducir las sondas térmicas. La calefacción consta de un portalámparas con bombilla y termostato automático (con cable de conexión de 5 pin) para evitar desperfectos por sobrecalentamiento. El registrador de temperaturas permite visualizar simultáneamente dos temperaturas. Con las flechas y se puede seleccionar la temperatura que se visualiza. El registrador guardará automáticamente la evolución de las temperaturas con el tiempo en forma de tabla que guarda en la tarjeta de memoria o directamente en el ordenador si se conecta. Las sondas son muy frágiles, deben manejarse con atención y cuidado. 4. Procedimiento experimental En esta práctica se trata de caracterizar los diferentes parámetros asociados a la transmisión de calor a través de una pared y estimar el efecto de cada tipo de material sobre el calor transmitido entre interior y exterior. A partir de la medida de las temperaturas en los ambientes exterior e interior, y en la superficie de los diferentes materiales que componen las paredes de la casa, se determinaran los coeficientes de conductividad térmica, correspondientes a cada material, o añadiendo placas adicionales, se pueden calcular coeficientes globales de transmisión de calor de una pared multicapa. Características de cada Pared: ‐ Pared 1: cristal , d = 1,4 cm ‐ Pared 2: climalit, d = 1,8 cm ‐ Pared 3: poliespan, d = 1,9 cm A) MEDIDA CON FOCO INTERNO Conecte el termostato de la casa térmica durante 15 minutos antes de realizar la práctica para estar cerca del estado estacionario. 1. Anote la temperatura ambiente del laboratorio y del interior de la casa. 2. Abra la tapa de la casa térmica y introduzca una de las sondas por un orificio lateral, con cuidado de no doblar, y fije con cinta adhesiva la base de las sondas y los extremos en la parte central interior y exterior de una de las paredes a estudiar. Deje las demás con sus maderas y poliespan para evitar pérdidas de calor por ellas. Tape la casa térmica y tras ello, se conecta el termostato colocándolo en el máximo. Anote las temperaturas iniciales de todas las caras de los paneles de ensayo. 3. Esperaremos a tomar los datos 10 minutos para que la temperatura sea estable y en ese momento se enciende el medidor digital de temperaturas, se pulsa el botón de grabar para que los datos queden guardados en este, se pone en marcha el cronómetro y se corta después de 10 minutos, finalizando la medida para la primera pared. 4. Se repite este proceso para cada pared. 10 minutos de espera y 10 de medición. NOTA: En todas las determinaciones de temperaturas, debemos de retirar las sondas con mucha precaución, despegando primero la cinta del extremo de la sonda y luego la base. ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 3 B) MEDIDA CON FOCO EXTERNO Seguiremos un procedimiento muy parecido al anterior, pero colocando un foco de calor externo y comprobaremos la evolución de las temperaturas en el interior de la casa con los diferentes tipos de aislantes. 1. Se abre la casa térmica para que salga el calor del interior de las medidas anteriores. 2. Se anotan las temperaturas iniciales de todas las caras de los paneles de ensayo y las temperaturas ambiente exterior e interior y se tapa para proceder a la medida. 3. Se enciende la lámpara que funcionará como un foco externo y se acerca a la pared exterior hasta un 10 cm. 4. Esperaremos a tomar los datos tras 10 minutos para que la temperatura sea estable. Se enciende el medidor digital de temperaturas, se pulsa el botón de grabar los datos, se pone a cero el cronómetro y se activa, después de 15 minutos se finaliza la medida. 5. Se abre de nuevo la casa térmica y se procede a la medición de la siguiente pared. 5. Resultados. Para cada una de las paredes usadas en el ensayo obtenga la resistencia térmica (R) y la conductividad térmica (k) para cada una de las paredes, para los focos interno y externo. Adjunte tablas con las medida realizadas con las sondas y realice los cálculos del error de todas las magnitudes utilizadas. Tª ambiente = TAE = ≤ ∆S = 21cm x21cm = ≤ a) VIDRIO: Medida Foco interno Foco externo Error Foco interno Foco externo Unidad T pared externa T pared interna T aire interna d Q R k , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3. Para obtener Q Según referencias k del vidrio debe estar entre 0,6 – 1,0 W/Km ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 4 b) CLIMALIT: Medida Foco interno Foco externo Error Foco interno Foco externo Unidad T pared externa T pared interna T aire interna d Q R k , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3. Para obtener Q Según referencias k del vidrio debe estar por debajo de 0,3 W/Km c) POLIESPAN: Medida Foco interno Foco externo Error Foco interno Foco externo Unidad T pared externa T pared interna T aire interna d Q R k , R y k utilice las ecuaciones 1 y 3. Para obtener Q Según referencias k del vidrio debe estar entre 0,025-0.045 W/Km ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 5 6. CUESTIONES 1. ¿Qué potencia calorífica total se pierde con cada uno de los materiales? ¿En qué caso es mayor? Razona por qué. 2. De acuerdo con las resistencias térmicas calculadas, ¿Qué pared es más aislante y cuál es más conductora? ¿Podríamos aplicarlo a una casa real? Explica por qué y cómo. 3. Calcule el coeficiente de convección en el interior y compáralo con el valor conocido del coeficiente de convección del aire. ¿Cuál es mayor? ¿Por qué? 4. Indique los cálculos de error realizados. ___________________________________________________________________________________________________________ Práctica Nº 7. Transmisión de calor: casa térmica 6